材料科学的十大进展

材料科学的十进展确立了我们今天所认知的材料动力学的竟哪些定义的发现灵感的瞬间和理解的转换？下面这些是我们认为意义最为重大的。每年年末和下一年年初的这段时间真的是很奇妙们录逝去的时光忆已发生的事展未来。每当新年到来际，无论你喜欢的是安静的思考还是热闹的庆典，奖励或是决心在所有报纸和杂志上有一件事是确定的——最重要的是列一个清单是们不赞同的呢？我们理出了过去50间材料科学十大进展的一张清单。我们认真考虑了很久，征询了我们的社论顾问小组的建议请这个领域的领先学者加入他们的贡献希我们的结果是有趣且引人深思的做后定的时候们尝试着聚焦到那些改变了我们的生活或是正在改变我们生活的进展上当这很具争议的那进展必须改变我们的整个生活方式吗？还是说它只需基本改变研究领域呢？那些可以被准确的定位到某一天某一个研究者的发现那经过无数学者的努力逐步完成的进展又如何呢？材料科学在哪里停滞？电子学物学化学从哪里开始？你要怎么估算塑料袋那样的事物的价值？不可否认们为购物提供了便利，但同时它们现在也因为能源和浪费问题遭到鄙视。并没有就这样排除掉它们们力总结出一个平衡了各方面考虑的选择样的我们希望能够引发一场关于对我们今天的材料科学影响最大的发现的辩论们了解到我们欠缺了哪些方面果对有机子学或高温超导体被列于前十之中表示怀疑告我们你的理由。是否纤维，易可贴，浮法玻璃或1竞应该被列入其中？能够定义下一个50年材料科学的又是些什么呢？如果你认为材料科学家们是一群幕后英雄，我们的工作不会引人注目也从不被人称颂。我们列出的清单是相互有直接联系的。它指出了材料科学是如何影响了我们今天这个世界的。1国际半导体技术图好吧，这并不算是一个研究结果，而是一种优先选择研究方向和制定研发计划的方式，但国际半导体技术蓝图（）仍旧是材料科学领域取得的一个值得纪念的成就（请参看：的史设了新和技术需求的目标，迫使微电子行业展开激烈竞争。ITRS是学、技术和经济学结合的产物，无论它是材料，特性，结构还是元件设计方面，很难找到还有什么比ITRS更能推动材料科学发展。它是我们在列这份清单时的第一选择。过去年，电子学对我们这个社会有着决定性的意义，半导体研究和材料科学的进展都离不开它材的研发品的加工制造还是设备的设计都成为它的受益者之所以成今材料第一宠儿的原因在于子学在当今世界扮演着至关重要的角色，过去年来，材料科学所取得的进展的最大体现就是半导体加工技术的不断升级。希望国际气候变化专门委员会能够享受在推动创新方面的成功，达成既定目标吧。历

ITRS在五年内为集成电路的发展供了技术指导年都在更新ITRS从系列小作坊发展到现在，为了确保需求，从实际80年代后期开始，接受着工领袖们的评估。第一个全国性的技术蓝图于1992年始行1993年一个半导体技术蓝图由半导体工业协会赞助，半导体研究股份公司支持并由编产生的。年这份蓝图由一个个技术人员组成的小组更新并重命名为国家半导体技术蓝图（1997年，NTRS开对每一个蓝图强调挑战，术需求和潜在解决方案。年，第次接受了一个国际组织的审查，该组织涵盖了来自欧洲，本，韩国和台湾的技术人员。第一个诞于年，这就是第一个国际工业蓝图。ITRS是立于一个庞大的组织共识的2005和2006年已经有超过位与者，他们来自工厂、国家实验室以及大学学院。由于制造半导体变得更富挑战性了，小组开始扩大对半导体金属氧化物系统的研究，寻求将其工业化的潜在指导。预料版将会有18章过1000页内容。2扫描式针显微镜扫描隧道显微镜是由IBM黎世研究实验室的海因里-罗雷尔和格尔德-宁发明的，由于这项发明，二人曾在1986年得诺贝尔物理学奖。扫描式探针显微镜不仅是一种新型显微镜技术——这本身就是值得纪念的——它的解析度精确到纳米之后不久，扫描式原子力显微镜（）便横空出世，它的出现为人们走进纳米世界打开了另一门（请参考box：纳米世界的意义于当前纳技术的不断普及，它也是功不可没。3巨磁电阻效应年法国科学家艾伯-费尔和德国科学家彼得-格林贝格尔因在年发现巨磁电阻效应荣获诺贝尔物理学奖，因此，将它列入十大进展排行榜一点也不令人惊讶。纳米世界意义1981年在IBM的黎世研究实验室诞生的第一台STM次观测到了真实空间中的电子。1986年，IBMAlmaden研中心和斯坦福大学的努力下，原子力显微镜得到了发展，这使得纳米世界的探索拓展到了绝缘材料和生物材料项发明已经打开了进入纳米世界的大门并终形成了纳米技术观察个别的纳米实体如单个分子们如何对外部刺激做出反应如在表面移动以如认识和相互沟通不再是科幻小说中的场景。此外，这些纳米工具使得科学家能操控单个的纳米实体能深入地对它们的物理和化学性质做出定量的了解此们已经在优化纳器件的性能上变得十分重要些具最终必将影响庞大的学科范围包括材料科学，光电子药催化剂它们将为能源和环境等关键问题提供新的解决方案最后扫探针显技术是扩展了我们五官我们的视觉可藉由表面触摸来实现听声的反馈使得我们能对表面的力学性能做出详细的调查样的提示如果出现在明确的官能团那就可以过识别分子来识别官能团此我们终于可以在嗅觉和味觉上感受激动人心的香水和纳米世界。

4半导体激光器和光二极管半导体激光器和发光二极管于年世出现是材料科学史上的一个重要事件。如果没有这个家伙，远距离通讯CD和播器、激光打印机条形码阅读器以及固态照明装置只能是一个梦想得不提的是态照明装置的出现能够为降低能耗作出重要贡献。III-V激和45后世界上绝大部分的人到现在为止已经看到过LED但很少人意识到这不是一个传统光源，而是和电子源相关的晶体管。作为JohnBardeen（晶体管的发明者之一）的学生和后来40年的同事，我听他解释说很多次都没有被发现直到知道晶体管电流可以形成非平衡的电子空穴后子空穴以复合达到平衡并发出光我们研究晶体管重组的原因时，我们正在向激光和LED前进特别是但我们转移到III-族化物1960年到1962年，我在研究砷化镓做隧道二极管，但我并不满1.4eV的红外线）带隙。我学会了如何把GaAs转到GaP,到GaAs1和红光的波长1962年，我们意识到一小部分的GaAsP-N结可作为激光的基础。但想让GaAs1xPx不仅工作在红外区，而且是工作在可见光区我分了解激光所以我道我需要有人帮我把红色P-N结成激光我在通用电气的同事Bob，先我一步。他用法布里一珀罗腔的边缘和晶体本身的腔来做砷化镓二极管这在是太聪明了！他宁费尽心思地制造二极管空腔，而我更喜欢把它劈开这并不容易。然后，一个早秋的日子的老板打电话告诉我Hall运行了激光，让我放弃切割！一次我设计一个简单的方法来美化我的二极管法布里一珀罗腔，并得到了红色的III-V族金激光和发光二极管。由于Hall的砷化镓红外激光发射器和不连贯发射体以及我的可见的红色GaAs1-xPx光器和发光二极管，通用电气公司在1962年宣布这些设备出售的可能性红LED从开始就是可行的且随着时间推移变得更好更便宜现在，经过很多人45年的作，高亮度，高性能LED已经成为主要的光源。它的规模和品种是令人惊讶并且难以置信的既我们现在所说'极灯'这项工作不会停止只会不断发展，并必然变得更便宜。这将可能使在世界各地的照明和装饰中普遍被使用！5美国国家纳米技计划比尔·克林顿有被我们列为本清单上材料科学重大发展第五位的权利。是他在2000年公布了美国国家纳米技术计划NNI是国联邦和多机构合作在纳米方面的研究计划。这一计划产生了巨大影响巩了纳米技术这一新兴领域的重要性时也让这一技术成为物理学最令人兴奋的一个所在。国家纳米技术计划为发展纳米技术提供了巨额资金，同时也为跨学科研究资金筹集方式打开了一扇门。纳米技术的同时获得了一个身份，种视界份高水平的资金。它还建立了一个这样的跨学科科学的拨款方式。美国国家科学基金会的C.是参与了最初的NNI划和国际组织活动的人员之一1997年至年，我曾与包括Williams，Alivisatos，JamesMurday，Siegel和EvelynHu在的人一起工作说们想了一个纳米级动力控制系统控制新业革命个标们2000年立了一个涉及学术界，产业界以及NNI的批机构为核的全国联盟

国家纳米技术计划由26个立构参与，的研究预算估计在15美左右。它是世界上纳米技术研究领域最大的“单投资者”去来共投入了70多美元目前已有65个家制定了类似的米技术研究计划，业内纳米技术的研发也已走在政府的前面。2007年全球纳米技术相关的研发经费已超过亿美元。年3月11日代跨机构向科学和技术政策办公室提交了国家纳米技术计划。许多人担心的是纳米计划成为国家优先计划的可能性不大被理所当然的认为是我们一小群研究人员的兴趣吗？相反米技术被认为是科技进步育药及经济的大平台。纳米技术计划在2001年的预算中被批准了亿美元米技术计划作为一个科学项目受到同样严格的准备说6碳纤维强化塑料过去的年证了先进复合材料的高速发展，毫不夸张地说，这些质轻而坚韧的材料已经被广泛运用到航空和航天之中代复合材料已经应用到几乎所有的行业之中括输，包装，土木工程和运动等。它们出现在F1赛、装甲和风力涡转子叶片之中。碳纤维强化塑料或者更确切地连续碳纤维有机基复合材料无疑扮演着领导者的角色这些由高强度、高硬度碳维形成的聚合无基体但有较高的坚固性而重量较轻。世60年初见证从碳纤维生产的聚丙烯腈、人造纤维和沥青基前体的发展。那些长定向芳香族化合物分子链赋予了碳纤维更高的强度和硬度真正的从以前使用的无定型复合材料玻璃纤维的中获得的成果。基于碳纤维技术不断发展以及在设计制和建模等方面取得的进步成材料得以拥有可控制的特性机基复材料及其相关制造方法已经能让工程师们根据专项应用来进行设计了不是组合一套固的材料特性国军研究实验室的RichardA.Vaia说造学开辟了一个新领域效地把组件设计转移到了材料设计上造较高并在设计制和回收面遇到不小的麻烦，但由于拥有这种特性，碳纤维强化塑料还是得到了越来越多的使用，新波音年客机的机翼和机身便采用了这种材料。7锂离子电池材料很难想像如果没有锂离子电池笔记本电脑和手机将变成什么样子利用水电解液的充电电池绝不能与拥有更高能量密度的锂电池相提并论。锂电池是在可以满足多方面要求的新型电极材料的基础上出现的提高使用的灵活性，它的阴极采用了中空结构以减少重量。锂电池材料的研究离不开化学和电气化学以及上世纪年牛津大学的和同事的不懈努力。最终他们研制出了负极料LiCoO2年索尼公司又研制出碳正极材料两材组合在一起们便得到让便携式设备成为可能的锂离子电池眼，锂离子电池负极材的研发工作仍在继续了护环境并提高能量密度，研究人员放弃了有毒的，采用类似的维结构。

纳管旅年在》发表了对多壁碳纳米管的观测1993年两个独立团体，Iijima和及等同一期Nature上发表了有关碳纳米管的自然生长论文些文在科学界的影是巨大的许是它们也许是导致了纳米科学和纳米技术的诞生。然而，多壁碳纳米管的第一次直接观测应该是年Radushkevich和Lukyanovich进行的，单一碳纳米管，也可能是双壁碳纳米管的形象则是年Oberlin等发布的。除开围绕着这些发现的争议不说大的机械力结合具有热学性质且低密度的碳纳米管给材料科学带来了革新们被运用在综合兆赫频段工作的纳机电系统密敏感机械传感器高度扫描探针显微的针尖，纳米药物运输等技术上。此外碳米管作为纤维增强材料可能导致新型复合材料的创新使碳纳米管的小型化趋势严重力学中这一趋势正好相反为人类的规模是在米的量级上纳米管强韧的主要原因是它们的体积很小，几乎没有缺陷——这是它们最好的特性此控制和减少缺陷同扩大碳纳米管的结构将是一个真正的突破。举个例子来说具碳纳米的强度和密度的宏观电缆将使得许多奇妙的建筑构想成真比如太空电梯这端固定在地面上的电缆可以携带有效载荷进入太空外，如果碳纳米管材料能够被用来大规模生产壁虎和蜘蛛脚毛的仿生材料檐壁的蜘蛛侠将成为现实。顶部的大量空间也可得以利用。8碳纳米管进馆1991碳纳米管的发现要归功于日本电气公司的SumioIijima在此之前学家便对它进行过观察。无论如何，紧跟着对1年现的C60巴基球——一种新型结构碳——的兴奋劲儿之后，对新富勒烯管的观察引发了科学家浓厚的趣。今天由于拥有独一无二的特性些纳米尺度的碳结构已经成为材料科学界最热门的话题以碳纳米管排在第位是因为我们仍需进行大量努力才能实现它的合成大规模生产并最终组装成相关设备此之外们尚不能制造拥有相同特性的碳纳米管的统一样品。9软刻蚀可组装的功能结构及不同材料的工作装置是微电子装置存储结构和其他许多产品的生产的中心点这个过程几乎度专业化分复杂使用了非常昂贵的光刻设备且室内环境要求保持绝对清洁。无论它有多么珍贵，这种发明能否被什么替代呢？软刻蚀技术利用了一个重复使用的印章印制图案术可以应用到很多不同的基片上面，无论是扁平的、弯曲的还是柔软的。更为重要的是，这种技术成本便宜，分辨率可精确到纳米，而且能够被运用到生物工艺学等新兴领域。最初的微接触印刷技术是年哈佛大学乔怀特赛德斯的实验室问世的接触打印给许多方面带来了改革大Fraser大学的Byron说以用一个弹性体图章将分子转移到基板上过这种方法，分子可以以规范的模型被印制在大面积图像上，组成部分大小只有。外，微接触印刷技术也可直接印制固态材料，进而

将触角延伸到纳米加工领域。自以来，微接触印刷已经发展成一整套的印刷、制模和压花手段，被形象地称之“软刻蚀所这些手段都要使用一个弹性印章，以重复印制母板的图案。“这些技术都有一个共同点是对有机材料和聚合物的使用——按物理学家的话来说，是‘软材料斯华顿大学的YounanXia说刻蚀为应用生物程在微观结构和系统上的研究提供了一条十分有吸引力的道路大多数超出了传统意义上的光刻范围10超料新千年之初一个令人兴奋的消息是有负折射率的材料实际上是存在的光至微波在进入这种材料的时候发生的折射，依照定来看，路线是“错误的就我们所说的“超材